Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Сведения о теплофизических свойствах горных пород необходимы при выполнении расчетов протаивания вокруг скважины. Оттаиванием породы называют резкое изменение ее механических свойств, связанное с превращением хотя бы части льда в воду при нагревании. Различные породы оттаивают различным образом, что в основном определяется степенью связи влаги с частицами грунта и условиями ее перемещения. Оба упомянутых свойства являются следствием размера и формы пор в породе. В крупнозернистых породах типа песков и супесей размеры пор сравнительно велики и влага мало связана со скелетом, поэтому протаива — ние происходит при 0°С. Здесь можно говорить о фронте или границе от­таивания, а также о температуре оттаивания породы.

В глинистых или пылеватых грунтах размеры пор малы, поэтому часть воды находится в связанном состоянии. Кривые льдистости различных по­род в зависимости от температуры представлены на рис. 2.1 [Иванов Н. С., 1965 г.]. Необходимо отметить, что количество незамерзшей воды практи­чески не зависит от влажности породы и определяется значением отрица­тельной температуры. С появлением подобных кривых стало возможным определять развитие зоны протаивания в мелкозернистых породах.

Рис. 2.1. Изменение льдистости i в зависимос­ти от температуры Т.

I — кварцевый песок (влажность 1Р=0,112); 2 — покровный суглинок (Ц7=

=0,27 — т-0,28); 3 — юрская

глина (В7=0,45-=-0,46).

Таблица 2.1

1600	0,08	1,26	1,64	1006	838	7,8	12,2
1600	0,25	1,48	2,2	1508	1006	6.1	13,7
1700	0,25	1,69	2,55	1508	1048	6,6	14,3
1800	0,15	1,77	2,56	1257	922	7,8	15,4
1800	0,25	1,93	2,92	1508	1006	7,1	16,1
2000	0,25	2,38	3,65	1467	1006	8,1	18,1
2100	0,15	2,59	3,99	1467	1006	8,4	18,9
При	расчете	зоны оттаивания	вокруг	скважины	Основной	интерес

Плот­ность Q, кг/м3

Теплопроводность Вт/(м•°С)	Теплоемкость с, Дж/(кг-°С)	Температуропровод­ность а, 10 м2/с
Талые	Мерзлые	Талые	Мерзлые	Талые	Мерзлые

Весовая влаж­ность W

представляют пески и супеси, которые теряют связность и определяют ха­рактер кавернообразования. В породах такого типа (см. рис. 2.1) таяние льда происходит при 0°С. Другими словами, породы такого типа могут находиться в двух различных состояниях: талом при положительной тем­пературе и в мерзлом при отрицательной. Теплофизические показатели за­висят в основном от массовой влажности — отношения массы льда или воды к массе единицы объема породы. Горные породы в талом и мерзлом состояниях при одном значении W имеют различные теплофизические показатели. Это связано с тем, что вода и лед имеют различные свойства: вода — q. = 1000 кг/м3, св = 4190 Дж/(кг*°С), X, в* 0,56 Вт/(м-°С), Ов = 1,33-10-7 м2/с; лед — Qj, = 920 кг/м3, сл = 2100 Дж/(кг*°С), Хл = = 2,3 Вт/(м-°С), ал=12,Ы0-7 м2/с. Таким образом, коэффициенты теплопроводности воды и льда различаются в 4 раза, теплоемкости в 2 ра­за, а температуропроводности почти в 10 раз. Судя по этим показателям теплофизические свойства талых и мерзлых пород должны быть неоди­наковы.

При малых значениях W теплофизические свойства различаются не так сильно, поскольку в поровом объеме породы содержится мало воды или льда. Плотности пород q в мерзлом и талом состояниях различаются незначительно, и их можно считать одинаковыми. Не столь сильно разли­чаются и теплоемкости с. Эти показатели при фиксированном значении влажности имеют стабильные значения для пород различных регионов. Судя по свойствам воды и льда наиболее резко должны различаться теп­лопроводности X и особенно температуропроводности а = X/(cq). Эти показатели зависят от степени пористости, влажности, гранулометриче­ского состава, дисперсности, а также контакта между отдельными части­цами. Для практических расчетов можно использовать теплофизические свойства из табл. 2.1.

В соответствии с определением массовой влажности произведение q№ есть содержание воды или льда в 1 м3 породы. Следует отметить еще одно обстоятельство. Применительно к мерзлой породе существует понятие о скрытой теплоте плавлением льда q. Эта величина показывает, какое количество тепла следует сообщить 1 кг льда, чтобы перевести его в воду.

Значение q — 335 кДж/кг. Таким стразом, чтобы перевести лед 1 м3 мерз­лой породы в воду, необходимо сообщить количество тепла QWq.

При выполнении тегловых расчетов плавления будем пользоваться следующими теплофизическими показателями (см. табл. 2.1): талые поро­ды — Qi = 1800 кг/м3, А.1 = 1,77 Вт/(м-°С), с = 1257 Дж/(кг-°С), at = = 7,8 -10—7 м2/с; мерзлые породы — дг = 1800 кг/м3, >.2 = 2,56

Вт/(м-°С), с2 = 922 Дж/(кг-°С) и a2=15,4-10“7 м2/с; W7 = 0,15 и OtWq^ 1800-0,15-335-103 = 904,5-105 Дж.

При бурении мерзлых пород температурный фактор играет решающую роль. Для его целенаправленного учета и использования необходимо иметь численное значение теплового потока. Этот показатель можно ис­пользовать для оценки теплофизических свойств мерзлых пород или для нахождения толщины криолитозоны, когда известны ее теплофизические свойства. Ниже представлены результаты определения теплового потока на примере северо-востока европейской части СССР [48].

Формулу для определения теплового потока на глубине г запишем в виде

q = —ХдТ/дг, (2.1)

где X и дТ/дг — теплопроводность горной породы и температурный гра­диент на данной глубине. В интервале 1300—1800 м [48] температура гор­ного массива по глубине является прямолинейной. Поэтому для данного

интервала глубин можно воспользоваться средним значением тепло­проводности горных пород X. С учетом сказанного перепишем (2.1) в виде

q =1(72-7.) /(Яг-Я,). (2.2)

где Я1, Яг и fi, Гг — глубины и соответствующие им температуры.

Численные значения температур Т и Гг принимаем на основании ре­зультатов термометрии скв. 21 Кумжинской площади, расположенной вблизи Нарьян-Мара. Эта скважина выстаивалась в течение нескольких месяцев до стационарного состояния.

Основная часть работы состояла в определении теплопереносных по­казателей горных пород. Для этой цели был отобран керн горных пород различного типа, из которого изготовлено 16 образцов с таким расчетом, чтобы их распределение в интервале 1300—1800 м было по возможности более равномерным. Для определения теплопереносных показателей гор­ных пород была сконструирована лабораторная установка, принцип дей­ствия которой основан на известном методе двух температурно-времен­ных интервалов. Из керна по специальной методике готовились цилиндри­ческие образцы диаметром 60—80 мм и высотой 10—12 мм. В процессе подготовки образцов добивались высокой чистоты и параллельности тор­цевых поверхностей с целью создания надежного теплового контакта меж­ду нагревателем и теплоприемником. Измерительный прибор дает воз­можность определять коэффициенты тепло — и температуропроводности. Математическая обработка экспериментальных данных показывает об­щую погрешность результата 10 измерений 2,5 и 2,4% для коэффициен-

39	1314—1317	Песчаник	2400	705	4,1	0,69
14	1318—1325	Глина	2350	634	8,9	1,33
32	1365—1374	Песчаник	2330	612	7,9	1,13
37	1446—1452	»	2510	685	9,2	1,58
30	1452—1460	»	2250	668	6.7	1.0
38	1507—1513	»	2650	591	10,4	1,63
42	1585—1595	»	2380	902	8,8	1,89
19	1595—1597	Аргиллит	2620	596	9,4	1,47
40	1597—1598	»	2350	742	5,5	0,96
7	1598—1599	»	2410	785	5,5	1,04
43	1599—1608	Алевролит	2440	736	5,9	1,06
44	1625—1628	Песчаник	2480	834	9.1	1,88
4	1675—1685	Известняк	2320	778	7,1	1,28
17	1685—1687	»	2210	592	8,0	1,05
24	1692—1700	»	2360	799	6,3	1,19
13	1735—1742	»	2650	644	7,4	1,26

Теплопро­водность, Вт/(м•°С)

				Тепло­емкость, Дж/(кг-°С)	Температу­
Номер образца	Интервал, м	Порода	Плотность, кг/м3	ропровод­ность, 107 м2/с

тов тепло — и температуропроводности соответственно. Общая погрешность опыта находится в пределах 3—4%. При этом каждый образец подвер­гался 10-кратному измерению.

Теплопереносные показатели водонасыщенных горных пород пред­ставлены в табл. 2.2, а химический состав — в табл. 2.3. Расчет средних арифметических значений теплопереносных свойств горных пород в зави­симости от их типа показывает следующие результаты: песчаники — А, = 1,39 Вт/(м.°С), с = 714 Дж/(кг-°С), е = 2430 кг/м3, а = = 8* 10-7 м2/с; известняки — А, = 1,54 Вт/(м-°С), с — 898 Дж/(кг»°С), О = 2460 кг/м3, а = 6,8-10~7 м2/с; аргиллиты к = 1,18 Вт/(м*°С), с = = 708 Дж/(кг-°С), q = 2390 кг/м3, а — 7,2-10“7 м2/с. Средние ариф­метические значения теплопереносных показателей горных пород в интер­вале 1300—1800 м равны: А, = 1,28 Вт/(м-°С), с = 706 Дж/(кг-°С), q=2420 кг/м3, а = 7,5-10-7 м2/с. Если для определения к воспользо­ваться известным соотношением

где h и Hi — теплопроводность и мощность данного слоя породы, тогда получим X = 1,23 Вт/(м-°С), т. е. отличие от среднего арифметического значения невелико.

Тепловой поток определим из формулы (2.2):

_ , Гг-Г, 317,5-303,5 • ,

q=lr— —= 1,23————- :——— —=0,0344— Вт/м2.

Нг-Нх 1800—1300 ‘

> образца S1O2	ТЮ*	А1зОз	FejOj	СГ2О3	FeO
39	78,4	0,46	7,4	1,15	0,01	2,93
32	54,5	0,59	12,5	1,61	0,03	2,63
30	68,5	0,74	11,3	1,32	0,04	2,51
38	74,6	0,78	10	1,3	0,03	3,47
42	65,9	0,55	10,8	1,25	0,01	1,91
19	4,0	0,13	1.8	0,53	0,01	0,2
40	53,1	0,85	15,4	3,36	0,02	6,16
7	56	0,92	15,6	3,67	0,04	4,91
43	60	1,0	15,6	2,68	0,03	4,07
4	1,2	0,05	0.2	0,27	0,02	0,2
17	0,4	0,06	0,1	0,09	0,01	0,2
24	74,6	0,78	10	1,3	0,03	3,47
13	3,8	0,1	0,6	0,38	0,01	0,2

to

МпО	MgO	СаО	Na30	КаО	П. п. п.	£	со2
0,12	1,44	1,32	1,05	0,7	4,49	99,5	0,95
0,27	2,83	9,71	2,1	1,48	11,2	99,7	7,32
0,03	1,9	0,98	2,14	1,57	5,45	99,4	0,79
0,17	1,69	1,09	1,67	0,99	3,63	99,4	0,42
0,16	1,86	5,92	1,67	1,1	7,84	99	4,84
0,01	2,15	50,5	0,16	0,13	41	100	41,3
0,16	3,72	2,3	1,05	1,52	12,4	100	4,17
0,06	3,43	3,96	1,77	1,71	7,55	99,6	0,99
0,07.	3,26	0,98	1,9	1,57	8,27	99,5	1,87
0,02	0,41	54,3	0,3	0,07	43,5	100	42,7
0,01	0,55	54,8	0,13	0,04	43,7	99,8	43,8
0,17	1,69	1,09	1,67	0,99	3,63	99,4	0,43
0,02	0,82	52,9	0,3	0,07	41,6	100	41,7

Я=ыт„/Н, (2.4)

где к2 — среднее значение теплопроводности мерзлой породы; q — тепло­вой поток Земли; Я — толщина слоя мерзлых пород; Тм — температура мерзлых пород на границе годовых теплооборотов.

Граница годовых теплооборотов находится вблизи поверхности земли на расстоянии, на котором уже не сказываются сезонные колебания темпе­ратуры поверхности. Из выражения (2.4) можно оценить толщину криоли — тозоны

H = X2T„/q~. (2.5)

Подставляя в (2.5) Я,2 = 2,56 Вт/(м-°С) (табл. 2.1) и <7=0,0344 Вт/м2, получим оценку Я в зависимости от Т„: при Та = —3°С Я = 223 м; Т„ = = —5°С Я = 372 м; Тв = —10°С Я = 744 м. Таким образом, с понижени­ем температуры мерзлых пород толщина криолитозоны возрастает. В ев­ропейской части страны значение Ты достигает —3°С и толща криолитозоны составляет 200—300 м. На севере Красноярского края Т = —7°С, а Я по­вышается до 500—600 м. В Якутии температура пород на границе годовых

теплооборотов достигает —12 ч 15°С, а толща криолитозоны превыша­ет 1000 м. В зонах с так называемой вялой мерзлотой при Т около — 1°С (например, Коми АССР) возможно слоистое залегание пород с отрица­тельной и положительной температурами [Быков Н. Ю., 1978 г.].

Комментарии запрещены.